Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Berbasis Bio, Ulsan, 44429, Republik Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Gunakake link ing ngisor iki kanggo nuduhake versi teks lengkap artikel iki karo kanca lan kolega.sinau liyane.
Amarga pandemi koronavirus lan masalah sing ana gandhengane karo partikel partikel (PM) ing udhara, panjaluk topeng saya tambah akeh.Nanging, saringan topeng tradisional adhedhasar listrik statis lan nano sieve kabeh bisa dibuwang, ora bisa diurai utawa didaur ulang, sing bakal nyebabake masalah sampah sing serius.Kajaba iku, mantan bakal ilang fungsi ing kahanan lembab, dene sing terakhir bakal operate kanthi penurunan tekanan udara sing signifikan lan clogging pori sing relatif cepet bakal kedadeyan.Ing kene, saringan topeng serat sing biodegradable, tahan lembab, ambegan banget, lan kinerja dhuwur wis dikembangake.Singkaté, rong serat ultrafine biodegradable lan tikar nanofiber digabungake menyang panyaring membran Janus, lan banjur dilapisi karo nanowhisker chitosan sing diisi kationik.Filter iki efisien kaya filter N95 komersial lan bisa mbusak 98,3% saka 2,5 µm PM.Nanofibers fisik layar partikel nggoleki, lan serat ultrafine menehi prabédan meksa kurang saka 59 Pa, kang cocok kanggo AMBEGAN manungsa.Nalisir Kurangé populasi cetha ing kinerja saringan N95 komersial nalika kapapar Kelembapan, mundhut kinerja Filter iki diabaikan, supaya bisa digunakake kaping pirang-pirang amarga dipole permanen chitosan adsorbs ultrafine PM (contone, nitrogen).lan sulfur oksida).Penting yen panyaring iki rampung decompose ing lemah kompos sajrone 4 minggu.
Pandemi koronavirus (COVID-19) sing durung ana sadurunge saiki nyebabake panjaluk topeng.[1] Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) ngira manawa 89 yuta topeng medis dibutuhake saben wulan ing taun iki.[1] Ora mung profesional kesehatan sing mbutuhake topeng N95 kanthi efisiensi dhuwur, nanging topeng tujuan umum kanggo kabeh individu uga wis dadi peralatan saben dina sing dibutuhake kanggo nyegah penyakit infeksi pernapasan iki.[1] Kajaba iku, kementerian sing ana gandhengane banget nyaranake nggunakake masker sekali pakai saben dina, [1] iki nyebabake masalah lingkungan sing ana gandhengane karo sampah topeng sing akeh.
Amarga partikulat (PM) saiki dadi masalah polusi udara sing paling bermasalah, topeng wis dadi penanggulangan paling efektif sing kasedhiya kanggo individu.PM dipérang dadi PM2.5 lan PM10 miturut ukuran partikel (masing-masing 2.5 lan 10μm), sing nyebabake serius lingkungan alam [2] lan kualitas urip manungsa ing macem-macem cara.[2] Saben taun, PM nyebabake 4,2 yuta tiwas lan 103,1 yuta taun urip cacat.[2] PM2.5 nyebabake ancaman serius kanggo kesehatan lan sacara resmi ditunjuk minangka karsinogen grup I.[2] Mula, pas wektune lan penting kanggo riset lan ngembangake saringan topeng sing efisien babagan permeabilitas udara lan mbusak PM.[3]
Umumé, saringan serat tradisional njupuk PM kanthi rong cara: liwat sieving fisik adhedhasar nanofibers lan adsorpsi elektrostatik adhedhasar microfibers (Gambar 1a).Panggunaan saringan basis nanofiber, utamané kloso nanofiber electrospun, wis buktiaken minangka strategi efektif kanggo mbusak PM, kang minangka asil saka kasedhiyan materi ekstensif lan struktur produk kontrol.[3] Tikar nanofiber bisa mbusak partikel saka ukuran target, sing disebabake dening beda ukuran antarane partikel lan pori-pori.[3] Nanging, serat skala nano kudu ditumpuk kanthi padhet kanggo mbentuk pori-pori sing cilik banget, sing mbebayani kanggo ambegan manungsa sing nyaman amarga beda tekanan dhuwur.Kajaba iku, bolongan cilik mesthi bakal diblokir kanthi cepet.
Ing tangan liyane, tikar serat ultra-apik meltblown wis electrostatically daya dening dhuwur-energi listrik kolom, lan partikel cilik banget dijupuk dening adsorpsi elektrostatik.[4] Minangka conto perwakilan, respirator N95 minangka respirator topeng rai sing nyaring partikel sing nyukupi syarat Institut Keselamatan lan Kesehatan Pekerjaan Nasional amarga bisa nyaring paling ora 95% partikel sing ana ing udhara.Filter jinis iki nyerep PM ultrafine, sing biasane kasusun saka zat anionik kayata SO42− lan NO3−, liwat daya tarik elektrostatik sing kuwat.Nanging, muatan statis ing permukaan tikar serat gampang dibubarake ing lingkungan sing lembab, kayata ditemokake ing napas manungsa sing lembab, [4] nyebabake nyuda kapasitas adsorpsi.
Supaya luwih nambah kinerja filtrasi utawa ngatasi trade-off antarane efficiency aman lan drop tekanan, saringan adhedhasar nanofibers lan microfibers digabungake karo bahan dhuwur-k, kayata bahan karbon, frameworks organik logam, lan nanopartikel PTFE.[4] Nanging, keracunan biologis sing ora mesthi lan disipasi muatan aditif kasebut isih dadi masalah sing ora bisa dihindari.[4] Utamané, rong jinis saringan tradhisional iki biyasané ora bisa rusak, saéngga pungkasané bakal dikubur ing TPA utawa dibakar sawisé dienggo.Mula, pangembangan saringan topeng sing luwih apik kanggo ngatasi masalah sampah kasebut lan ing wektu sing padha njupuk PM kanthi cara sing puas lan kuat minangka kabutuhan saiki sing penting.
Kanggo ngatasi masalah ing ndhuwur, kita wis nggawe panyaring membran Janus sing terintegrasi karo poli (butylene succinate) (basis PBS) [5] microfiber lan tikar nanofiber.Saringan membran Janus dilapisi karo chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (Gambar 1b).Kaya sing kita ngerteni, PBS minangka polimer biodegradable sing perwakilan, sing bisa ngasilake serat ultrafine lan nonwoven nanofiber liwat electrospinning.Serat skala nano kanthi fisik njebak PM, dene serat nano skala mikro nyuda penurunan tekanan lan tumindak minangka kerangka CsW.Chitosan minangka bahan basis bio sing wis kabukten nduweni sipat biologis sing apik, kalebu biokompatibilitas, biodegradabilitas lan keracunan sing relatif kurang, [5] sing bisa nyuda rasa kuwatir sing ana gandhengane karo inhalasi sing ora disengaja saka pangguna.[5] Saliyané iku, kitosan duwé situs kationik lan gugus amida polar.[5] Malah ing kahanan lembab, bisa narik partikel ultrafine polar (kayata SO42- lan NO3-).
Ing kene, kita nglaporake panyaring topeng gulung biodegradable, efisiensi dhuwur, tahan kelembapan lan tekanan rendah adhedhasar bahan biodegradable sing kasedhiya.Amarga kombinasi sieving fisik lan adsorpsi elektrostatik, CsW-dilapisi microfiber / nanofiber terintegrasi Filter nduweni efficiency aman PM2.5 dhuwur (nganti 98%), lan ing wektu sing padha, gulung tekanan maksimum ing Filter paling kandel. mung Iku 59 Pa, cocok kanggo AMBEGAN manungsa.Dibandhingake degradasi kinerja pinunjul dipameraken dening Filter komersial N95, Filter iki nuduhake mundhut dijarno saka efficiency aman PM (<1%) malah nalika kebak udan, amarga daya CsW permanen.Kajaba iku, saringan kita rampung biodegradable ing lemah kompos sajrone 4 minggu.Dibandhingake karo pasinaon liyane karo konsep padha, kang bagean Filter dumadi saka bahan biodegradable, utawa nuduhake kinerja winates ing potensial aplikasi nonwoven biopolymer, [6] Filter iki langsung nuduhake Biodegradability fitur majeng (film S1, informasi ndhukung).
Minangka komponèn saka Filter membran Janus, nanofiber lan serat superfine kloso PBS pisanan disiapake.Mulane, solusi PBS 11% lan 12% padha electrospun kanggo ngasilake serat nanometer lan mikrometer, amarga bedane viskositas.[7] Informasi rinci babagan karakteristik solusi lan kondisi electrospinning optimal kapacak ing Tabel S1 lan S2, ing informasi ndhukung.Wiwit serat as-spun isih ngandhut sisa solvent, tambahan adus koagulasi banyu ditambahake menyang piranti electrospinning khas, minangka ditampilake ing Figure 2a.Kajaba iku, adus banyu uga bisa nggunakake pigura kanggo ngumpulake Mat serat PBS coagulated murni, kang beda saka matrik ngalangi ing setelan tradisional (Figure 2b).[7] Dhiameter serat rata-rata tikar microfiber lan nanofiber yaiku 2,25 lan 0,51 µm, lan diameter pori rata-rata yaiku 13,1 lan 3,5 µm (Gambar 2c, d).Nalika pelarut kloroform/etanol 9:1 nguap kanthi cepet sawise dibebasake saka nozzle, beda viskositas antarane solusi 11 lan 12 wt% mundhak kanthi cepet (Gambar S1, informasi pendukung).[7] Mulane, beda konsentrasi mung 1 wt% bisa nyebabake owah-owahan sing signifikan ing diameter serat.
Sadurunge mriksa kinerja Filter (Figure S2, informasi ndhukung), kanggo mbandhingaké macem-macem saringan cukup, electrospun nonwovens saka kekandelan standar diprodhuksi, amarga kekandelan iku faktor penting sing mengaruhi prabédan meksa lan efficiency filtrasi saka kinerja Filter.Wiwit nonwovens alus lan keropos, iku angel langsung nemtokake kekandelan electrospun nonwovens.Kekandelan kain umume sebanding karo kapadhetan permukaan (bobot per unit area, bobot dhasar).Mula, ing panliten iki, nggunakake bobot dhasar (gm-2) minangka ukuran kekandelan sing efektif.[8] Kekandelan dikontrol kanthi ngganti wektu electrospinning, kaya sing ditampilake ing Gambar 2e.Nalika wektu muter mundhak saka 1 menit kanggo 10 menit, kekandelan saka microfiber Mat mundhak kanggo 0,2, 2,0, 5,2, lan 9,1 gm-2, mungguh.Kanthi cara sing padha, kekandelan tikar nanofiber ditambah dadi 0,2, 1,0, 2,5, lan 4,8 gm-2.Tikar microfiber lan nanofiber ditetepake kanthi nilai kekandelan (gm-2) minangka: M0.2, M2.0, M5.2 lan M9.1, lan N0.2, N1.0, N2.5 lan N4. 8.
Bedane tekanan udara (ΔP) saka kabeh sampel minangka indikator penting kinerja filter.[9] Ambegan liwat panyaring kanthi tekanan dhuwur ora kepenak kanggo pangguna.Alamiah, iku diamati sing gulung meksa mundhak minangka kekandelan saka Filter mundhak, minangka ditampilake ing Figure S3, ndhukung informasi.Mat nanofiber (N4.8) nuduhake penurunan tekanan sing luwih dhuwur tinimbang tikar microfiber (M5.2) kanthi kekandelan sing bisa dibandhingake amarga tikar nanofiber nduweni pori sing luwih cilik.Minangka udhara liwat Filter ing kacepetan antarane 0,5 lan 13,2 ms-1, gulung meksa saka rong macem-macem saringan mundhak mboko sithik saka 101 Pa kanggo 102 Pa. Kekandelan kudu optimized kanggo Balance gulung meksa lan mbusak PM. efisiensi;kecepatan udhara 1,0 ms-1 cukup wajar amarga wektu sing dibutuhake manungsa kanggo ambegan liwat tutuk kira-kira 1,3 ms-1.[10] Ing babagan iki, penurunan tekanan M5.2 lan N4.8 bisa ditampa kanthi kecepatan udara 1.0 ms-1 (kurang saka 50 Pa) (Gambar S4, informasi pendukung).Wigati dimangerteni manawa penurunan tekanan N95 lan topeng standar filter Korea (KF94) sing padha yaiku 50 nganti 70 Pa.Luwih pangolahan CsW lan integrasi filter mikro / nano bisa nambah resistensi udara;mulane, kanggo nyedhiyakake margin gulung tekanan, kita nganalisa N2.5 lan M2.0 sadurunge nganalisa M5.2 lan N4.8.
Ing kecepatan udara target 1.0 ms-1, efisiensi penghapusan PM1.0, PM2.5, lan PM10 saka microfiber PBS lan tikar nanofiber ditliti tanpa muatan statis (Gambar S5, informasi pendukung).Punika diamati sing efficiency aman PM umume mundhak karo Tambah ing kekandelan lan ukuran PM.Efisiensi penghapusan N2.5 luwih apik tinimbang M2.0 amarga pori-pori sing luwih cilik.Efisiensi penghapusan M2.0 kanggo PM1.0, PM2.5 lan PM10 yaiku 55.5%, 64.6% lan 78.8%, dene nilai sing padha karo N2.5 yaiku 71.9%, 80.1% lan 89.6% (Gambar 2f).Kita weruh yen prabédan paling gedhe ing efisiensi antarane M2.0 lan N2.5 yaiku PM1.0, sing nuduhake yen sieving fisik bolong microfiber efektif kanggo PM tingkat mikron, nanging ora efektif kanggo PM tingkat nano (Gambar S6, informasi pendukung)., M2.0 lan N2.5 loro nuduhake kemampuan njupuk PM kurang saka 90%.Kajaba iku, N2.5 bisa uga luwih rentan kanggo bledug tinimbang M2.0, amarga partikel bledug bisa gampang ngalangi pori-pori N2.5 sing luwih cilik.Yen ora ana daya statis, sieving fisik diwatesi kanthi kemampuan kanggo nggayuh tekanan sing dibutuhake lan efisiensi penghapusan ing wektu sing padha amarga hubungan dagang ing antarane.
Adsorpsi elektrostatik minangka cara sing paling akeh digunakake kanggo njupuk PM kanthi cara sing efisien.[11] Umumé, muatan statis ditrapake sacara paksa menyang panyaring non-anyaman liwat medan listrik kanthi energi dhuwur;Nanging, daya statis iki gampang buyar ing kahanan lembab, asil ing mundhut saka kemampuan njupuk PM.[4] Minangka bahan bio-based kanggo filtrasi elektrostatik, kita ngenalaken 200 nm dawa lan 40 nm sudhut CsW;amarga gugus amonium lan gugus amida polar, nanowhiskers iki ngandhut muatan kationik permanen.Muatan positif sing kasedhiya ing permukaan CsW diwakili dening potensial zeta (ZP);CsW disebarake ing banyu kanthi pH 4,8, lan ZP ditemokake +49,8 mV (Gambar S7, informasi pendukung).
Microfibers (ChMs) lan nanofibers (ChNs) sing dilapisi CsW disiapake kanthi lapisan dip sing prasaja ing dispersi banyu 0,2 wt% CsW, yaiku konsentrasi sing cocog kanggo nempelake jumlah maksimum CsWs menyang permukaan serat PBS, kaya sing dituduhake ing tokoh Ditampilake ing Figure 3a lan Figure S8, informasi ndhukung.Gambar spektroskopi sinar-X dispersif energi nitrogen (EDS) nuduhake manawa permukaan serat PBS dilapisi seragam karo partikel CsW, sing uga katon ing gambar mikroskop elektron scanning (SEM) (Gambar 3b; Gambar S9, informasi pendukung) .Kajaba iku, cara lapisan iki mbisakake nanomaterials kanggo mbungkus sacoro apik lumahing serat, saéngga ngoptimalake kemampuan mbusak PM elektrostatik (Figure S10, informasi ndhukung).
Efisiensi penghapusan PM ChM lan ChN diteliti (Gambar 3c).M2.0 lan N2.5 dilapisi karo CsW kanggo ngasilake ChM2.0 lan ChN2.5.Efisiensi penghapusan ChM2.0 kanggo PM1.0, PM2.5 lan PM10 yaiku 70.1%, 78.8% lan 86.3%, dene nilai ChN2.5 sing padha yaiku 77.0%, 87.7% lan 94.6%.Lapisan CsW nemen nambah efficiency aman saka M2.0 lan N2.5, lan efek diamati kanggo PM rada cilik luwih pinunjul.Khususe, chitosan nanowhiskers nambah efisiensi penghapusan PM0.5 lan PM1.0 M2.0 kanthi masing-masing 15% lan 13% (Gambar S11, informasi pendukung).Sanajan M2.0 angel ngilangi PM1.0 sing luwih cilik amarga jarak fibril sing relatif amba (Gambar 2c), ChM2.0 nyerap PM1.0 amarga kation lan amida ing CsWs ngliwati ion-ion, nggabungake interaksi Pole-ion. , lan interaksi dipole-dipole karo bledug.Amarga lapisan CsW sawijining, efficiency aman PM saka ChM2.0 lan ChN2.5 minangka dhuwur minangka M5.2 lan N4.8 luwih kenthel (Tabel S3, informasi ndhukung).
Apike, sanajan efisiensi penghapusan PM saya apik banget, lapisan CsW meh ora mengaruhi penurunan tekanan.Penurunan tekanan ChM2.0 lan ChN2.5 tambah rada nganti 15 lan 23 Pa, meh setengah saka paningkatan diamati kanggo M5.2 lan N4.8 (Gambar 3d; Tabel S3, informasi pendukung).Mulane, lapisan karo bahan adhedhasar bio minangka cara sing cocok kanggo nyukupi syarat kinerja rong saringan dhasar;yaiku, efisiensi penghapusan PM lan prabédan tekanan udara, sing saling eksklusif.Nanging, efisiensi penghapusan PM1.0 lan PM2.5 saka ChM2.0 lan ChN2.5 loro-lorone luwih murah tinimbang 90%;temenan, kinerja iki kudu apik.
Sistem filtrasi terintegrasi sing kasusun saka pirang-pirang membran kanthi diameter serat sing ganti lan ukuran pori bisa ngatasi masalah ing ndhuwur [12].Filter udara terpadu nduweni kaluwihan saka rong nanofiber lan jaring serat superfine sing beda.Ing babagan iki, ChM lan ChN mung ditumpuk kanggo ngasilake saringan terpadu (Int-MNs).Contone, Int-MN4.5 disiapake nggunakake ChM2.0 lan ChN2.5, lan kinerja dibandhingake karo ChN4.8 lan ChM5.2 kang padha Kapadhetan areal (yaiku kekandelan).Ing eksperimen efisiensi penghapusan PM, sisih serat ultrafine Int-MN4.5 kapapar ing kamar bledug amarga sisih serat ultrafine luwih tahan kanggo clogging tinimbang sisih nanofiber.Minangka ditampilake ing Figure 4a, Int-MN4.5 nuduhake efficiency aman PM luwih apik lan prabédan meksa saka loro saringan siji-komponen, karo gulung meksa 37 Pa, kang padha ChM5.2 lan luwih murah tinimbang ChM5.2 ChN4.8. Kajaba iku, efisiensi penghapusan PM1.0 saka Int-MN4.5 yaiku 91% (Gambar 4b).Ing sisih liya, ChM5.2 ora nuduhake efisiensi penghapusan PM1.0 sing dhuwur amarga pori-pori luwih gedhe tinimbang Int-MN4.5.
Wektu kirim: Nov-03-2021
